エイリアンのスモッグは私たちを地球外文明へと導くのでしょうか？

昨年3月、メリーランド州ゴダード宇宙センターのデスクで仕事をしていたラヴィ・コッパラープ氏は、NASA地球観測衛星からのプレスリリースを偶然目にした。人口14億人の中国が1ヶ月以上前に厳しい外出禁止令を発令して以来、中国上空の二酸化窒素（NO₂）濃度が急激に低下していたというのだ。彼は同僚のジェイコブ・ハック・ミスラ氏にリンクをテキストメッセージで送り、「テクノシグネチャー？」とコメントした。「おお、興味深い！」とミスラ氏は返信した。

この観察結果はコッパラープ博士の興味をそそり、2カ月後、現代社会が地球の空気を汚染している方法についてまだ考えていた彼は、パンデミック関連の公衆衛生対策が大気汚染に与える影響についての論文を読んだ。研究者たちは、韓国や米国などの他の高度工業化国でも同じ影響が出ていることを発見した。多くの政府が中国に倣い、国民に自宅待機を命じた2020年1月から4月の間に、都市中心部の二酸化窒素のレベルは20～40％減少した。二酸化窒素は、燃焼や化石燃料の使用のほか、土壌からの放出や雷などの自然の生物学的プロセスによって生じる、より蔓延している汚染物質の1つだ。しかし、コッパラープ博士が二酸化窒素に興味を持ったのは、それが地球に与える影響のためではなかった。彼の焦点は、何光年も離れた、天の川銀河の私たちの領域にある4,000を超える既知の太陽系外惑星の大気にあった。

大気科学者がそれまで正確に測定するのに苦労していた事実が、今回の停止によって明らかになった。地球上のNO₂の大部分（約65%）は、私たちの通勤、製造業、ガス・金属精錬といった非生物的発生源に由来しているのだ。もしそうだとしたら、コッパラープは、このガスを太陽系外惑星の遥か彼方の大気圏で検出できるのだろうか、と疑問に思った。もし可能だとしたら、私たちは、地球と似たような文明、つまり自らの化石燃料を利用して技術革命を起こした文明を目の当たりにしているのだろうか、と。

「私たちは、生物と雷が生み出す量の3倍もの二酸化窒素を排出しています」と、コッパラプ氏は地球について語る。「地球に似た惑星と二酸化窒素のシグナルを観測し、あらゆる生物と大気の起源をモデル化しても、地球上で観測される量を説明できない場合、そこに技術文明が存在する可能性が考えられます。」

コッパラプ氏は、宇宙で探査可能な技術的マーカー、つまりテクノシグネチャーの特定を目指す天文学の新興分野の最前線に立っています。もはや概念的に無線信号に限定されず、天文学者たちは大気ガス、レーザー、さらには太陽を取り囲む仮説上の構造物（ダイソン球）などを探すことで、惑星やその他の宇宙物体を特定する方法を模索しています。テクノシグネチャーは地球から観測できるだけでなく、レーザー駆動の光帆を備えたスターショットのような、より野心的な探査機構想によっても観測可能です。スターショットは理論上、20年でアルファ・ケンタウリに到達できる可能性があります。

さらなる探究に意欲を燃やしたコッパラプは、ブルーマーブル宇宙科学研究所の上級研究員であるハック・ミスラをはじめとする同僚たちとこのアイデアについて議論し、ミスラはすぐに共著者となった。2月下旬にアストロフィジカル・ジャーナル誌に掲載された彼らの論文では、地球型惑星の単一の大気柱を模倣したコンピュータモデルを用いてこの疑問を探求し、銀河系の隣人の一つでNO₂の痕跡が見つかる確率を計算した。

彼らのモデルは、大気分子が太陽光にさらされる様子をシミュレートするもので、具体的には太陽、オレンジ矮星、そしてプロキシマ・ケンタウリのような2つのM型恒星をモデルにした4種類の太陽光にさらされる様子を再現しています。それぞれの恒星は独自のスペクトルの光を発し、それが周回惑星の大気と相互作用して光化学反応を引き起こします（地球上では、この反応によってオゾン層が形成されます）。太陽からの放射線、つまり光が大気中の分子を加熱すると、一時的に励起状態になり、様々なことが起こります。分子は分解したり、結合したりします。地上では、分子は植物の栄養源となることもあります。他の種類の恒星からの放射線は、NO₂シグナルを弱めたり、刺激したりする可能性があります。

はるか遠く離れた大気圏で起こっている光化学反応を解明するには、分光器を備えた高度で極めて精密に調整された望遠鏡が必要です。天文学者は、この望遠鏡を、（比較的）小さく高速で移動する惑星が主星の前を通過する際に焦点を合わせなければなりません。このわずかな時間差で、望遠鏡は惑星の大気を通過する光を捉え、プリズムでそれを分解することができます。プリズムの帯状の構造は、各元素が示す固有のスペクトル特性、まるで指紋のように、大気の組成を教えてくれます。もし地球外文明が、私たちの大気のようにNO₂で空を汚染していたとしたら、これは彼らの存在を示唆する手がかりとなるでしょう。

コッパラプ氏とハック・ミスラ氏は、太陽のような恒星を周回し、液体の水が存在する可能性のある「ハビタブルゾーン」と呼ばれる狭い帯状の領域を周回する地球型惑星の中に、もし存在するならば、次世代の先進望遠鏡を用いてこの信号を発見できる可能性があると結論付けました。NASAが待ち望んでいた2つの望遠鏡コンセプト、LUVOIRとHabExは、感度と空間分解能が大幅に向上し、複数の天体に同時に焦点を合わせることができる分光器を備えており、この種の観測が可能です。これらのミッションに割り当てられた機器を用いることで、約400時間の観測を経て、30光年離れた場所から信号を自信を持って確認することができました。

これは長い時間のように聞こえるかもしれないが、コッパラープ氏は、ハッブル宇宙望遠鏡がフロンティア・フィールド観測を実施するために3年間で少なくともその2倍の時間を費やしたと指摘する。この観測では、初期宇宙のこれまでで最も詳細な写真、つまり130億年前の暗黒の宇宙空間に広がる何千もの銀河をピクセル化した写真が撮影された。

「もし太陽のような恒星の周り、惑星のハビタブルゾーン内に本当に有望な候補が見つかったら、その惑星でもっと長い時間を過ごせる可能性が出てきます」とコッパラプ氏は言う。「その数字は大きいように見えますが、これまでの研究と照らし合わせると、そうではありません。」

十分な観測時間があったとしても、依然としていくつかの複雑な問題が残る可能性があります。惑星の大気中の雲やエアロゾルはNO₂と同じ波長域の光を吸収するため、NO₂のシグナルを模倣する可能性が高いと考えられます。同時に、太陽よりわずかに小さい恒星、つまりK型やM型の恒星を周回する惑星は、大気中のNO₂を分解する紫外線の放出量が少ないため、より強いNO₂シグナルを生成する可能性があります。その結果、NO₂の拡散度が過大評価され、文明が存在しない可能性のある場所に文明が存在する可能性が示唆されています。

土壌硝化、山火事、雷といった生物学的プロセスもNO₂を生成しますが、地球上の研究によると、これらの発生源がNO₂の総量に占める割合は、人為的な発生源、つまり化石燃料の燃焼によるものよりもはるかに少ないことが示唆されています。しかしながら、比較の根拠となるような詳細な研究が可能な、太陽系内の大気はごくわずかです。

NASAジェット推進研究所の惑星科学者で太陽系外惑星の大気の専門家であるRenyu Hu氏は、NO₂をテクノシグネチャーとして特定する上で最大の課題は、地球の大気中におけるこのガスの化学的寿命に関係していると述べています。地球上では、ほとんどのNO₂は生成後5～10日以内に太陽光で分解されるか、硝酸（HNO₃）に変化して「雨として降り注ぐ」ことになります。しかし、他の惑星では状況が異なる可能性があります。「太陽系外惑星の大気では、大気の状態が地球とはかなり異なる可能性があるため、このNO₂の寿命はより長く、したがってより多く蓄積される可能性があります」とHu氏は言います。この太陽系外惑星の大気に地球にあるようなNO₂の吸収源がない場合、理論的には、私たちが汚染や工業化社会の兆候として探す持続的で強いNO₂シグナルを模倣する可能性があります。

コッパラプ氏のチームは、さらなる研究として、他の惑星で見られると予想される大気の力学をより正確にシミュレートできる、より高度な3Dモデルの使用を計画しています。このモデルは、単一の大気柱ではなく、より物理的に正確な雲の高さや動きを含む大気全体をシミュレートするため、NO₂シグナルが雲によって模倣されるかどうかを検証する能力が向上します。

これらを実現するには、NASAはLUVOIRやHabEXといった次世代望遠鏡の構想のうち、少なくとも1つを優先的に選定し、資金提供を行う必要があります。これらの構想は、2022年春に発表される惑星科学・宇宙生物学10年計画調査（Planetary Science and Astrobiology Decadal Survey）で検討されました。この調査は、NASAと議会に研究と投資に関する勧告を提供し、科学コミュニティ全体の取り組みの指針となる予定です。しかし、たとえこの調査でこれらの構想が優先されたとしても、実現には程遠く、これらのミッションが2030年代より前に開始される可能性は低いでしょう。

数十年前、地球外知的生命体探査（SETI）と電波信号探査への連邦政府の資金提供は過去最高額に達していました。1961年、天文学者フランク・ドレイクは有名なドレイク方程式を発表しました。これは、宇宙で探知可能な知的生命体の存在確率を推定する公式で、生命の生存に適した環境を持つ惑星の数や、そのうち知的生命体が誕生する可能性のある惑星の数といった変数を用いています。しかし、この方程式を用いた研究で得られた結果は、ゼロから数百万までと幅があります。（昨年、英国の研究者グループが、異例の精度で、天の川銀河だけでも少なくとも36の知的文明が存在するという計算を行いました。）

SETI研究所は1984年、生命の探索を支援するために設立されました。1999年には、バークレーSETI研究センターの研究者らがSETI@homeプロジェクトを立ち上げ、人々が自分のパソコンを使って電波望遠鏡のデータのパターン解析を行えるようにしました。天文学面でも明るいニュースがありました。1992年、アレクサンダー・ウォルシュチャンとデール・フレイルは、アレシボ天文台の電波望遠鏡を用いて、おとめ座系のパルサーを周回する太陽系外惑星を初めて発見しました。2009年にケプラー宇宙望遠鏡が運用を開始すると、さらに数千個の惑星が発見されました。これに続いて、新たな探究の道が開かれました。太陽系外惑星の存在が確認された今、それらはどのようなものなのだろうか？天文学者たちは、惑星に生命が存在するとしたら、その大気はどのようなもので構成されているのか、特に地球外の大気の組成について理論構築を始めました。現在、教科書は遠く離れた世界の大気物理学に充てられており、太陽系外惑星の大気中に観測される可能性のある生命の化学的兆候である潜在的なバイオシグネチャーは、一流の天文学雑誌で論評されている。

しかし、科学界の中には、テクノシグネチャーに懐疑的な見方をする者もいる。たとえ他​​の文明が存在するとしても、彼らがどれくらいの期間、電波信号を送り続けると予想されるのだろうか？そして、私たちがそれを受信できるだろうか？私たちの銀河の寿命が135億年であることを考えれば、夜通しの船が通り過ぎるように、他の文明の寿命を見逃してしまう可能性は十分に考えられる。

さらに、地球外電波信号の探査は最近、深刻な打撃を受けています。アレシボ望遠鏡は昨年8月にケーブル落下により大きな被害を受け、現在解体工事が行われています。SETI@homeプロジェクトの一般公開は2020年3月に中止され、研究者たちは20年分のデータを分析できるようになりました。

コッパラプ氏は現在取り組んでいる研究を「大気圏地球外探査（SETI）」と呼んでおり、これは他の文明からの無線信号を探すことの代替手段です。「大気圏のテクノシグネチャーがあれば、彼らは私たちと交信するために積極的に何かをする必要はありません。彼らはただ生活を続け、私たちが彼らの惑星を観察している間、私たちの存在に全く気づかないかもしれません」とコッパラプ氏は言います。「今後20年ほどで、大気を観測し、はるか遠くの居住可能な惑星の画像を撮影できる宇宙望遠鏡を打ち上げるかもしれません。産業文明が150年、無線通信能力が開発されてから100年も経たないうちにこれが実現できるとしたら、地球の数十億年の歴史の中で、どれだけの文明が既にこれを実現してきたのでしょうか？」

昨年8月、論文の共著者であるハック・ミスラ氏は、著名な宇宙生物学者や天体物理学者を含む50人以上の参加者を集め、オンライン会議「テクノクライムズ」を開催した。この会議では、発表者がテクノシグネチャーに関する最新の研究について発表し、そのような研究の焦点や枠組みについて議論した。「今は、こうした疑問を投げかけても、多くの天文学者に笑われることなく済む時代と言えるでしょう」とハック・ミスラ氏は語る。

「他の惑星に生命が存在するという考えは、SFの世界から科学的現実に近づいてきています」とコッパラープ氏は言う。

コッパラプ氏とハック・ミスラ氏は現在、地球と同程度の大気中のクロロフルオロカーボン（CFC）濃度を持つ太陽系外惑星が、その波長で観測を行う将来の宇宙望遠鏡を用いて検出可能かどうかを検証する論文を執筆中です（現在のLUVOIRとHabEXの構想では、これは不可能です）。しかし、少し複雑な点があります。CFCは工業生産されており、ある種の技術力の明確な指標となり得るのです。しかし、地球上では何十年もの間、大気からCFCを排除しようと努力してきました。NO₂についても同じことが言えます。実際、地球温暖化を引き起こすあらゆる汚染物質についても同じです。地球上で生き残るためには、私たちは排出量を大幅に削減し、地球をほとんどの生命にとって住みにくい場所にしないよう努めなければなりません。もし他の惑星でもこれが当てはまり、それらの惑星が大気を浄化しようと奮闘しているか、あるいはそれができずに絶滅しているとしたら、私たちが実際にこの種の信号を検出できる時間枠はさらに狭まることになる。CFCの場合、それは50年から150年であり、天文学的な時間スケールでは実質的にほんの一瞬だ。

ハック・ミスラ氏は、惑星にCFCが高濃度に存在しても、その住民に致命的な影響を与えない状況が存在すると指摘する。大気が非常に薄い惑星では、CFCの量を増やすことは実際には望ましいことかもしれない。特に、住民が大規模な惑星工学によって液体の水を保持できる環境を作りたいと考えている場合はそうだ。「CFCは強力な温室効果ガスなので、火星をテラフォーミングしたい場合、大気中にCFCを放出することが一つの選択肢です」とミスラ氏は言う。「あるいは、CFCはどんな生物に対しても無毒なのかもしれません。あるいは、生物ではなくAIなのかもしれません」

数十年にわたりバイオシグネチャーと太陽系外惑星を研究してきたMITの宇宙生物学者サラ・シーガー氏は、新たなツールが加わったことを喜ばしく思っていると述べている。しかしながら、光化学は難しい分野で、特効薬はないとも述べている。昨年、シーガー氏は金星の大気中にホスフィンのシグナルを発見したと発表した研究チームの一員だった。地球では、ホスフィンは分解に関わるバクテリアによって生成され、少量が燻蒸剤や生物兵器に利用するために人工的に製造されている。そこで、天文学者のジェーン・グリーブス氏が金星でホスフィンのシグナルらしきものを発見した際、彼女はそのシグナルの確認と研究を行うため、宇宙生物学者と化学者からなるチームを結成した。研究者たちは2020年9月にネイチャー・アストロノミー誌に研究結果を発表したが、金星の上層大気の化学反応が非生物学的にホスフィンを生成する仕組みについての説明を提示した追跡論文は1本も発表されていないため、科学者たちはこの信号について、そしてそれが本当にホスフィンであるかどうかについて、いまだに意見の一致には程遠い。

「地球や金星のような環境で生命が存在しないのに、ホスフィンを生成する方法が全く分かっていないにもかかわらず、人々はまだ信じていません。論文を書いた私たちも、それが生命の兆候だと信じていません」とシーガー氏は言う。「まだ生命だと断言できる段階ではないのです。」

金星は私たちのすぐ近くにあります。数十光年離れた太陽系外惑星では、ホスフィンの信号を見つけるのはさらに困難で、そもそも検出するにはより高い濃度が必要になります。「今、ホスフィンの信号を見つけるのは困難になるだろうという現実を突きつけられています。たとえ強い信号が得られたとしても、おそらく常に別の説明が出てくるでしょう」とシーガー氏は言います。

宇宙での生命の新たな探査に、ある程度の弾みがついてきている。しかも、その推進役は議会だ。2018年の下院歳出法案で、議会はNASAに対し、数十年ぶりにテクノシグネチャーを研究ポートフォリオに含めるよう指示した。同年、NASAはヒューストンで3日間のテクノシグネチャー・ワークショップを開催し、さまざまな科学分野のリーダーを集めてこの分野の現状を評価し、今後の方向性を決定した。バイデン新政権は月へのアルテミス計画と宇宙軍を全面的に支援しているが、その支援が宇宙での生命の探査にまで及ぶかどうかはまだ明らかではない。それでもコッパラプ氏は、地球外生命体の発見を目的とした数百万ドル規模の宇宙計画シリーズであるブレークスルー・イニシアチブなどの組織からの民間資金の流入を含め、この種の研究への支援が拡大していることに楽観的だ。

地球外生命体、あるいはテクノロジー生命体の存在を示す確かなシグナルが見つかるのは、おそらく遠い未来のことだろう。そして、私たちがそれを受け入れてくれるのはさらに先のことだ。それでもなお、この考えこそが、コッパラープ氏やハック・ミスラ氏をはじめとするこの分野の多くの研究者を研究へと駆り立てている。遠く離れた惑星からの強力なシグナルを特定できたらどんな気分かと尋ねられると、コッパラープ氏は最初は言葉を失った。「それは『あるかどうか』の問題ではなく、『いつ』の問題です」と彼は言う。そしておそらく、誰がそれを信じるのか、という問いも浮かんでくるだろう。